第2章断裂力学5-平面应变断裂韧性及测试原理要点解析.ppt

23-* 1-1 主讲 朱成九 * 疲劳断裂与损伤 * 23-* 第2章 断裂力学 * 23-* 平面应变断裂韧性及测试原理 * 23-* 的定义 平面应变断裂韧性KⅠC：在线弹性问题中，具有Ⅰ型裂纹的构件抵抗裂纹扩展的能力 实验和分析表明：在一定条件下KⅠC是材料固有的性能指标，随着断裂力学的发展和推广应用， KⅠC已逐渐和常规机械性能指标一起作为材料检验的质量指标之 * 23-* 的适用条件 线弹性，小屈服 平面应变状态 * 23-* 试件KⅠ的表达式 工程上一般以平面应变KⅠC作为设计依据 典型试样KⅠ的表达式： 直三点弯曲试样： P P/2 P/2 a W B L * 23-* 其中： 美国材料实验学会ASTM的E399-74试验标准 实验要测出临界PQ，代入可得KQ 试件KⅠ的表达式 * 23-* 紧凑拉伸试件： P B a W P 注： a,w从P的作用点连线处开始! 试件KⅠ的表达式 * 23-* 此外还有很多试件，如： P P/2 P/2 a L P 四点纯弯曲试件 B h L a 拱形三点弯曲试件 试件KⅠ的表达式 * 23-* L P a W B 单边切口拉伸试件 圆周切口杆拉伸试件 P d D 试件KⅠ的表达式 * 23-* 试件形状、尺寸 标准三点弯曲试件 * 23-* 标准紧凑拉伸试件 试件形状、尺寸 * 23-* 切口形状和裂纹包迹的规定 图中：N不应超过W/10 切口 * 23-* 试件尺寸的选择 根据材料的KⅠC估计值，按照公式 估算试件的最小厚度B和裂纹长度a。 在不能估计材料的KⅠC值时，也可根据σy/E的值按下表选取试件尺寸。 * 23-* 测试原理（平面应变条件） 测试方法：以紧凑拉伸试样为例 * 23-* 测试原理（平面应变条件） 测试方法： 取样和标记 确定尺寸 预制裂纹 记录载荷-切口张开位移（P-V）曲线 P B a0 Δa P 一般地，这里的裂纹临界扩展载荷PQ并不是试件断裂的最大载荷，不能简单地直接由试验机上的拉力读数求得。 * 23-* 裂纹长度 工具显微镜，读数 预制疲劳裂纹前缘 机械切口前缘 B W 应满足： * 23-* P-V曲线分析 a)第Ⅰ类曲线，属于平面应力型 O A 切线 P5割线 试件较薄，裂纹尖端基本处于平面应力状态，裂纹断口有一定的颈缩现象，此时作斜率低5%的割线，与试验曲线交点得载荷PQ。 * 23-* P-V曲线分析 b)第Ⅱ类曲线，属于平面应变和平面应力混合型 试件有一定厚度,裂尖中部处于平变状态, 试件两侧表面有一定塑性变形,当P增大时,裂尖中间部产生临界扩展,发出Po-Pin声,随着载荷增加,裂纹由中心部位向试样表层扩展,直至断裂。 迸发载荷 O A B * 23-* P-V曲线分析 c)第Ⅲ类曲线，属于平面应变型 O A 试件厚度足够大，接近理想平面应变状态; 裂尖无明显塑性变形,断口平整; 可直接由实测PQ代入公式，即可求得KIC * 23-* KQ有效性判断 由实测PQ代入KIC公式，即可求得KQ； 2. 当KQ满足如下两个条件时,方可作为KIC : 否则平面应变条件不满足，其中B是试样厚度 试件厚度与断裂韧性的关系图 平面应力 平面应变 * 23-* KQ有效性判断 若 ， 即(平面应力), (平面应变时B约是 的50倍)，说明塑性区较小。 考虑应力松驰后的塑性区修正,裂纹(有效裂纹)尖端前的塑性区长度为 * 23-* 23-* 1-1